時間領域多重2次元大規模連続量クラスター状態生成とその応用に関する研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H05207
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 古澤 明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90332569)
• 研究分担者: 青木 隆朗 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10343146) ; 高橋 浩之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70216753)
• 研究期間 (年度): 2018-04-23 – 2023-03-31
• キーワード: 量子情報

研究実績の概要

1次元大規模クラスター状態生成を生成し、これを用いた量子計算実験の準備を行った。ホモダイン測定のローカルオシレーター光位相を高速で切り替える機構を考案した。これはクロック周波数25MHzで実験を行える設計にした。これが成功すれば、補助状態が整えば原理的には任意の操作が可能になり、汎用大型光量子コンピュータ実現に大きく近づく。また、クロック周波数は若干遅いものの、100回連続（100ステップ）でエンタングルメントスワッピング（エンタングルメントの量子テレポーテーション）を行い、各ステップで古典限界を超えて量子テレポーテーションに成功していることを確認した。これはリソースであるスクイーズド光が高レベルであることの証拠であり、位相ロックが適切に行われていることを示している。

超伝導光子検出器を用いた光子数識別実験に成功した。また、この超伝導光子検出器を用いてシュレディンガーの猫状態の生成に成功した。ユニバーサルな量子計算実現のためにはいくつかの補助状態が必要となるが、それらは主にエンタングルメントと光子数識別器により生成することができる。今回の超伝導光子検出器による光子識別とそれを用いたシュレディンガーの猫状態生成の成功は、補助状態生成への重要な一歩になっている。ここで、エンタングルメントはスクイーズド光を用いて生成可能であり、我々は高レベルスクイーズド光生成の技術を持っていることから、今回の成功は我々の強みをさらに補強するものとなっている。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

エンタングルメントスワッピングを100ステップも行えたことは当初の計画以上であるから。

今後の研究の推進方策

（令和3年4月～令和4年2月）令和元年度に生成に成功した2次元大規模連続量クラスター状態の高性能化および利用のための研究開発を行う。
1.広帯域高レベルスクイーズド光の更なる高レベル化、2.光ファイバー光学系による実験系の再構築、3.ホモダイン測定におけるローカルオシレーター光位相の高速切り替え方式の開発
前年度に引き続きアダプティブヘテロダイン測定のための補助状態生成技術開発を行うのと同時に、その利用技術の開発を行う。
1.超伝導光子数識別器作製および作製した光子数識別器を用いて補助状態生成、2.共振器QED系を用いた補助状態生成
（令和4年3月）令和3年度のまとめを行う。

研究成果

• [雑誌論文] Generation of optical Schroedinger cat states by generalized photon subtraction (2021)
  • 著者名/発表者名: Takase Kan、Yoshikawa Jun-ichi、Asavanant Warit、Endo Mamoru、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 103 ページ: 013710～013710
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.103.013710
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-chip photon-pair generation in a silica microtoroidal cavity (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Hashimoto, A. Goban, Y. Hirabayashi, Y. Kobayashi, T. Araki, and T. Aoki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 ページ: 3533～3542
  • DOI: 10.1364/OE.414037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Continuous-wave 6-dB-squeezed light with 2.5-THz-bandwidth from single-mode PPLN waveguide (2020)
  • 著者名/発表者名: Kashiwazaki Takahiro、Takanashi Naoto、Yamashima Taichi、Kazama Takushi、Enbutsu Koji、Kasahara Ryoichi、Umeki Takeshi、Furusawa Akira
  • 雑誌名: APL Photonics 巻: 5 ページ: 036104～036104
  • DOI: 10.1063/1.5142437
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Extending the piezoelectric transducer bandwidth of an optical interferometer by suppressing resonance using a high dimensional IIR filter implemented on an FPGA (2020)
  • 著者名/発表者名: Okada Masanori、Serikawa Takahiro、Dannatt James、Kobayashi Masaya、Sakaguchi Atsushi、Petersen Ian、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 ページ: 055102～055102
  • DOI: 10.1063/1.5143477
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 4-dB Quadrature Squeezing With Fiber-Coupled PPLN Ridge Waveguide Module (2020)
  • 著者名/発表者名: Takanashi Naoto、Kashiwazaki Takahiro、Kazama Takushi、Enbutsu Koji、Kasahara Ryoichi、Umeki Takeshi、Furusawa Akira
  • 雑誌名: IEEE Journal of Quantum Electronics 巻: 56 ページ: 600100～600100
  • DOI: 10.1109/JQE.2020.2982698
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temporal-mode continuous-variable three-dimensional cluster state for topologically protected measurement-based quantum computation (2020)
  • 著者名/発表者名: Fukui Kosuke、Asavanant Warit、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 102 ページ: 032614～032614
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.102.032614
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optimization of quantum noise by completing the square of multiple interferometer outputs in quantum locking for gravitational wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada Rika、Enomoto Yutaro、Nishizawa Atsushi、Nagano Koji、Kuroyanagi Sachiko、Kokeyama Keiko、Komori Kentaro、Michimura Yuta、Naito Takeo、Watanabe Izumi、Morimoto Taigen、Ando Masaki、Furusawa Akira、Kawamura Seiji
  • 雑誌名: Physics Letters A 巻: 384 ページ: 126626～126626
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2020.126626
  • 査読あり
• [雑誌論文] All-optical phase-sensitive detection for ultra-fast quantum computation (2020)
  • 著者名/発表者名: Takanashi Naoto、Inoue Asuka、Kashiwazaki Takahiro、Kazama Takushi、Enbutsu Koji、Kasahara Ryoichi、Umeki Takeshi、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 ページ: 34916～34916
  • DOI: 10.1364/OE.405832
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Phase Locking between Two All-Optical Quantum Memories (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Fumiya、Endo Mamoru、Matsuyama Mikihisa、Ishizuka Yuya、Liu Yang、Sakakibara Rei、Hashimoto Yosuke、Yoshikawa Jun-ichi、van Loock Peter、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 ページ: 260508～260508
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.260508
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ultra-low-loss nanofiber Fabry-Perot cavities optimized for cavity quantum electrodynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: S. K. Ruddell, K. E. Webb, M. Takahata, S. Kato, and T. Aoki
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 45 ページ: 4875～4878
  • DOI: 10.1364/OL.396725
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Microwave SQUID Multiplexer for Readout of Optical Transition Edge Sensor Array (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Nakada, K. Hattori, Y. Nakashima, F. Hirayama, R. Yamamoto, H. Yamamori, S. Kohjiro, A. Sato, H. Takahashi, D. Fukuda
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 199 ページ: 206～211
  • DOI: 10.1007/s10909-019-02298-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an Ir-TES for near infrared single photon counting (2020)
  • 著者名/発表者名: Miura Y.、Irimatsugawa T.、Ohno M.、Takahashi H.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 954 ページ: 162120～162120
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.04.074
  • 査読あり
• [学会発表] 共振器を介した断熱転写の共振器長依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 末永晃理、宇津木健、浅岡類、徳永裕己、金本理奈、青木隆朗
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] ナノファイバー共振器QED系を用いた量子中継の検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 為近彩智, 鈴木泰成, 徳永裕己, 青木隆朗
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 損失のある共振器QED系による(SWAP)^αゲート成立条件の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宇津木健、浅岡類、徳永裕己、青木隆朗
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会
• [学会発表] 分散型量子計算に向けたナノ光ファイバー共振器量子電気力学系 (2021)
  • 著者名/発表者名: 青木隆朗
  • 学会等名: 第 158 回微小光学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Large-scale quantum computing with quantum teleportation (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Furusawa
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Universal quantum computing with quantum teleportation (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Furusawa
  • 学会等名: Symposium on Photonic NISQ Technologies at CLEO
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation of two-mode quantum states of light with timing controllable memories (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, F. Okamoto, M. Matsuyama, Y. Ishizuka, Y. Hashimoto, R. Sakakibara, J. Yoshikawa, P. van Loock, A. Furusawa
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
  • 国際学会
• [学会発表] Continuous-variable Quantum Teleportation of States Multiplexed in Time Domain (2020)
  • 著者名/発表者名: B. Charoensombutamon, W. Asavanant, T. Nakamura, T. Ebihara, S. Yokoyama, R. Alexander, N. Menicucci, M. Endo, J. Yoshikawa, H. Yonezawa, A. Furusawa
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
  • 国際学会
• [学会発表] Large-scale quantum computing with quantum teleportation (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Furusawa
  • 学会等名: Quantum 2020, A virtual conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Caltech, quantum teleportation, and GKP qubits (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Furusawa
  • 学会等名: Caltech Physics Colloquium, Online Event
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large-scale quantum computing with quantum teleportation (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Furusawa
  • 学会等名: Byron Bay Quantum Workshop, Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] All-optical quantum memories towards photonic quantum information processing (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Endo, J. Yoshikawa, A. Furusawa
  • 学会等名: International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory, Online
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Optimization of cavity parameters for high-speed quantum computation based on cavity QED (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeru Utsugi, Rui Asaoka, Yuuki Tokunaga and Takao Aoki
  • 学会等名: CLEO Pacific Rim 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 共振器QED系による√SWAPゲートの高速化に向けた共振器パラメータ最適化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宇津木健、浅岡類、徳永裕己、青木隆朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [学会発表] イリジウム超伝導転移端センサによる通信波長帯光子計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三津谷 有貴
  • 学会等名: 第81回 応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Demonstration of photon number resolution with the iridium optical transition edge sensor (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mitsuya
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2020
  • 国際学会